右玉县西窑头水泥石灰岩矿地质特征及找矿方向

李宝中，杜素芳，刘发荣，杨风辰

（中国建筑材料工业地质勘查中心北京总队，北京 100102）

1 区域地质概况

山西省右玉县元堡子乡西窑头水泥石灰岩矿所处大地构造位置属山西中北部多字型构造北端西南缘，即祁吕弧东翼与其反射弧的转折部位。该区在漫长的地质历史中，受多次的构造运动影响，生成一系列断裂构造和褶皱，控制着该区的沉积建造及岩浆活动。

1.1 区域地层

区域出露地层主要为太古界集宁群，为一套混合岩化深变质岩石，主要为黑云硅线榴石钾长片麻岩，含榴长英麻粒岩及少量透辉紫苏斜长麻粒岩；古生界寒武系以碎屑岩、碳酸盐岩、粘土岩为主；奥陶系主要岩性为灰岩、白云质灰岩、泥灰岩及白云岩；石炭系由砂质页岩、页岩、砂岩、含砾石英砂岩及煤层组成的碎屑岩含煤建造；二叠系由粗粒石英砂岩、页岩、杂砂岩、砂砾岩、泥岩及煤线组成的碎屑岩含煤建造；中生界侏罗系仅有中侏罗统，为一套河湖沼泽交互相含煤建造；白垩系主要岩性为砾岩、砂岩、泥岩；新生界第三系岩性主要为河湖相堆积物，有棕红色砂砾层夹粗砂层，砾石层、细砂层、粘土等；第四系主要为冲、洪、坡积物。

1.2 区域构造

区域构造线方向总体呈北东向，隆起与凹陷相互平行，彼此斜列，以古老结晶基底发育的紧闭线状褶皱和盖层中广泛分布的断裂构造为基本特征，基岩区呈现形态开阔、规模宏大的北东向向斜构造，向北东倾伏，构成基岩区构造骨架主体。

区内褶皱发育，西北部的丁家窑、石香炉一带组成一系列轴线呈北东东60～75°方向展布的背斜和向斜构造，两翼倾角为50～82°。褶皱两翼主要由太古界集宁群变质岩系组成。

区内断裂构造比较发育，矿区附近的南东部吴家窑、洪涛山一带发育多条断层，主要由压扭性相互平行断裂组成。轴向以北东向为主，断层规模不一，产状变化大，性质复杂。断层走向为30～70°，倾角60～80°。

1.3 岩浆岩

区内岩浆岩的分布有太古代、元古代、燕山期及喜山期的侵入岩和喷出岩。主要岩性有斑状角闪二长岩、斑状正长闪长岩岩体，脉状侵入的辉绿岩，以及玄武岩等。

2 矿区地质特征

2.1 地层

矿区出露地层主要有：下古生界中奥陶统下马家沟组(O2x)，上古生界中石炭统本溪组(C2b)、上石炭统太原组(C3t)，新生界第四系(Q)，见下图。现由老至新分述如下：

西窑头水泥石灰岩矿区地质图

(1)奥陶系(O)。

中奥陶统下马家沟组(O2x)主要出露于矿区南部山坡上及沟谷中。根据矿区钻孔控制的岩性实际情况及矿层赋存特征，将下马家沟组分为三个岩性段：

下马家沟组一至二段(O2x1-2)：下部为黄灰色薄层状泥灰岩、含白云质灰岩；上部由灰黄、黄灰色薄层状泥质白云岩、白云质灰岩夹泥灰岩及角砾状泥灰岩组成。钻孔控制最大厚度75.26m左右。

下马家沟组三段下部(O2x3-1)：岩性主要由灰色中至厚层状致密灰岩、白云质灰岩、花斑灰岩组成。本层为含矿层位。钻孔控制厚度0.94～17.00m。

下马家沟组三段上部(O2x3-2)：由灰色中至厚层状白云质灰岩、白云质泥灰岩夹少量白云岩组成。钻孔控制厚度3.25～15.86m，矿体上部平均厚度7.16m。

(2)石炭系(C)。

石炭系地层在矿区分为中碳统本溪组(C2b)、上石炭统太原组(C3t)两个组。根据矿区控制的地层情况，中石炭统本溪组主要出露于矿区中部小山顶上，出露面积小。上石炭统太原组地层零星出露于矿区外围的北部地段。

中石炭统本溪组(C2b)：下部为紫红、灰色泥岩、粘土岩及页岩，底部粘土岩中夹少量山西式铁矿。中部由1～2层海相灰岩或页岩及砂岩组成。上部为黄色、黄绿色页岩及粉砂岩、硬质石英砂岩。钻孔控制厚度2.93～20.36m。

上石炭统太原组(C3t)：该组仅在矿区外围的北部出露下部地层，以硬质石英砂岩、硬砂岩、砂质页岩组成。钻孔控制厚度5.80～12.53m。

(3)第四系(Q)。

大面积分布于矿区，岩性主要为亚粘土、黄土状亚砂土、粉砂土,残坡积物及少量冲、洪积物。 钻孔控制厚度0.5～52.60m。

2.2 构造

矿区内构造简单，地层基本呈单斜岩层产出，总体产状：倾向北，倾角5°左右。

矿区内地层连续性较好。根据对地表基岩调查、工程控制资料分析，未发现明显的成规模的断层、断层破碎带和褶皱现象。

2.3 岩溶

根据钻孔岩心观察，矿区石灰岩受地下水和地表水的作用，溶蚀现象发育，主要形成一些小溶洞和裂隙。岩溶规模一般不大，但分布较广，大都以裂隙形式出现，规模绝大部分1m左右，未发现大的溶洞。

裂隙主要分布在矿区西部K2、K3线各钻孔中，地下延深至1430m标高以下。 裂隙中充填物为溶蚀的灰岩碎块、灰岩细砂及次生碳酸盐沉积物。这显然是碳酸盐物质淋滤后重结晶的结果。

2.4 矿体特征

本矿床赋存于下马家沟组第三段(O2x3)下部石灰岩中。矿石主要由深灰色、灰色致密灰岩、少量花斑灰岩组成，微晶结构、花斑结构，块状构造。

矿体产状与地层产状一致，总体走向东西，倾向北，倾角5～10°。矿体呈单斜层状构造，其形态大致呈板状产出，连续分布。

矿体控制范围由西部K1线至东部K6勘探线之间，东西宽约650m，南北长约1000m。沿倾向控制在矿区最低开采标高1430m。

根据钻孔控制及取样结果分析，矿区见矿的各钻孔控制的矿体厚度变化在0.94～17.00m之间，矿体平均厚度10.49m，变化系数21%。

2.5 矿石化学成分特征

在矿区17个见矿孔中采集了175件基本分析样品，根据块段品位与体积加权平均统计，矿层中矿石化学成分质量分数变化范围：CaO 51.96%～53.01%，平均52.45%；MgO 1.09%～2.22%，平均为1.59%。矿石化学成分变化小，质量稳定，符合DZ/T 0213-2002中水泥原料的品位要求，为优质水泥用石灰岩矿石。

(1)Cl-成分分析。

在矿区钻孔工程中按不同的矿石类型采集样品16件进行Cl-成分分析，各工程中Cl-成分平均质量分数见表1。

表1 各工程中Cl-成分平均质量分数(%)

从分析结果看，Cl-成分变化范围在0.005%～0.012%之间，平均含量为0.0084%，Cl-成分低于工业指标，符合质量要求。

(2)其他元素分析。

本矿区利用组合样分析结果，对矿体中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、SO3、LOI等进行分析和评价，本次工作在钻孔中采取了16件样品进行了分析，元素分析结果平均含量见表2。

结果表明：SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、 Na2O、SO3等质量分数均在规定范围内，符合质量要求。

表2 矿区其他元素平均质量分数(%)

2.6 矿石类型

根据矿区岩性和矿石化学成分特征，将矿石划分为两种自然类型。

(1)致密状灰岩矿石类型。

深灰色、灰色中厚层状致密灰岩矿石，发育方解石细脉和团块，主要由泥晶方解石组成,具贝壳状断口。泥晶结构、微晶结构，块状构造。矿石矿物主要为方解石95%，白云石3%，少量铁、石英及泥质等。

方解石主要为泥晶方解石，呈等轴粒状，粒径0.01mm左右。白云石为等轴粒径，粒径0.01～0.03mm，分布在方解石晶体之间。

致密状灰岩矿石平均化学成分CaO＞51%，MgO＜2.5%，矿石品级为Ⅰ级品矿石，为优质水泥用灰岩矿石，该类型矿石占全部矿石的90%以上。

(2)花斑状石灰岩矿石类型。

灰色、灰黄色中厚层状花斑灰岩，花斑状结构、似斑状结构，块状构造、花斑构造。

花斑灰岩呈斑团状、或各种不规则的形状产出。花斑为黄褐色、灰色等，花斑大小一般0.50～1.5cm。斑的成分为浅黄色者，多数为含铁泥质。

矿物成分：方解石90%以上，白云石少量。方解石呈等轴粒状，粒径0.01～0.02mm。白云石呈半自形—自形晶，粒径0.03～0.1mm。

矿层中的花斑状灰岩一般呈杂乱状分布于矿体上部，但与致密灰岩无明显分层规律，主要区别在于CaO、MgO的含量。化学成分CaO大于50%，MgO 3%左右，矿石质量符合水泥用要求，该类型矿石在矿区比例极少。

此类矿石大部分能达Ⅰ级品要求，只有局部为Ⅱ级品。

3 矿床成因

本矿床为古生界碳酸盐岩类石灰岩地层，由浅海—滨海相机械沉积、化学沉积和生物化学沉积的共同作用下形成的沉积型石灰岩矿床。

中奥陶世开始，区内大面积被海水覆盖，陆表处于浅海环境。海水的反复进退的演化规律是在每个大沉积旋回期，区内广泛处于潮上带的碳酸盐台坪环境和陆海棚环境。在早马家沟晚期阶段，区内潮上带台坪环境相和陆海棚环境相多次交替中，又一新的海进阶段的潮上带的碳酸盐台坪环境沉积泥质灰岩、白云岩；陆海棚环境沉积的岩石组合主要为中厚层石灰岩、泥质白云岩。

该区中奥陶统的各地层单位，包括上、下马家沟组均由相似的碳酸盐岩沉积旋回组成，各地层单位的岩石组合由下至上一般为灰黄色白云质泥灰岩、泥灰质白云岩；厚层、中厚层石灰岩，并含蠕虫状或豹皮状构造；中厚层石灰岩夹泥质白云岩、白云质泥灰岩。各地层单位的沉积相相应为：由潮上泻湖和潮上盐坪相到潮下陆棚相，到潮下陆棚与潮上泻湖和潮上盐坪相交替。经过每个大沉积旋回，在海水进退的后期，该区发生了地壳变动，区域上升起为陆地，并且一直受到侵蚀和剥蚀而未接受沉积。

矿床在成岩—后生作用阶段有一定的重结晶作用及轻微的白云岩化作用。根据野外观察和前人研究成果，石灰岩重结晶现象比较普遍，但多处于早期阶段，重结晶方解石个体微小，由多个微晶方解石组成呈团粒状或蠕虫状的粉晶团。重结晶结构多在原泥晶结构或含砂屑泥晶结构的灰岩基础上演变而来。灰岩的基体部分为泥晶结构或含砂屑结构，矿物成分与重结晶前的灰岩基本一致。

根据资料分析认为，属于原生或重结晶成因的花斑状灰岩的化学成分CaO一般＞50%左右，MgO为1%左右。交代成因的花斑状灰岩CaO较低，为45%～50%，MgO较高，为2%～5%，其核心部分含泥灰质白云岩的CaO只有40%～45%，MgO为5%～12%。花斑状灰岩中的K2O+Na2O在0.2%以下。

矿区内发育少量花斑状灰岩，通过分析研究，认为斑的成因其原岩为泥晶灰岩，是原生含铁质、泥质的斑，或重结晶的斑，多为泥晶方解石重结晶所致，但岩石中泥晶方解石仍可达到60%～80%，后生的白云石含量10%～30%；在沉积后期成岩阶段的白云石花斑，局部交代了方解石，形成了浅色的斑团。

本区陆海棚环境沉积的石灰岩是山西北部地区重要的水泥用石灰岩工业矿床之一。

4 找矿方向

该矿床是右玉县发现的具有典型沉积特征和成矿模式的中奥陶统下马家沟组优质水泥用石灰岩矿床，通过对该矿床区域地质特征及矿床成因分析，为在山西北部寻找类似矿床提供了找矿借鉴。